（设计艺术学专业论文）以人为原型的产品逆向工程研究与开发.pdf

摘要 ! i i , 曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼皇 摘要1 创新是人类本身和人类社会得以进步和发展的原动力，也是设计的根 本，更是现代产品设计的生命源泉。创新促使一代又一代的设计师不断为 人类创造出许多优秀的产品，并改善了人类的生存方式，提高了人们的生 活品质。西方发达国家在工业设计领域的发展历程表明，产品逆向工程是 发展中国家实现产品创新和技术进步的有效途径。 本文在调研了国内外现有反求技术和理论基础上，将“创新 提到更 为显著的位置，强调在反求的基础上进行创新，提出了以人为原型的产品 逆向工程。本文指出当前的研究大多集中于零件的三维重构和快速成型方 面，多关注于零件级别的外形细节反求上，而较少关注如何还原产品的设 计思想和人的原始需求，而这恰恰是要实现产品创新设计的关键。针对上 述问题，我们提出了以人为原型的产品反求技术的概念和理论框架，并进 行了系统的研制和开发。 以人为原型的产品反求本质是通过寻找产品的功能原型进而实现产 品需求原型的再现，最大程度上吸收原产品的设计思想和关键技术。本文 对产品设计过程进行了分析，从设计过程的一般性模型开始，在介绍了分 解重构原理，广义定位原理，功能表面概念的基础上，对功能表面分类进 行了扩展，提出了基于功能表面分解重构的设计过程模型，并对功能表面 的内涵进行扩展，进而提出了产品结构生长型设计，这些相关的研究表明 了产品创新设计过程的有规律可循，为以人为原型的产品反求奠定了理论 基础。 接下来，我们通过采用面向对象的编程技术，实现了对功能表面的描 述和表达，从而实现了功能零件的表达，并建立了基于功能表面的产品反 求数据结构；从功能和定位的角度出发，从实现相同功能的零部件中抽象 出由功能表面集组成的功能模式，分别为执行模式，传动模式，结构模式 和原动件。在这基础上，利用三维造型内核a c i s 平台进行了面向创新设 计的产品反求系统p r e d 的开发，研制了产品反求系统框架和关键技术模 块，包括产品快速造型与装配，产品功能原型提取，产品反向求解模块以 1 本文得到国家自然科学基金资助( 5 0 4 7 5 1 2 9 ) 山东大学硕士学位论文 及产品功能表面扩展等。 最后，阐述了系统的功能、模块设置、系统开发技术和运行环境。并 以手动压力机和洗衣机为例，详细介绍了产品原型的反求过程及产品功能 表面扩展，验证了本文理论研究与技术实施的正确性和实用性。 关键词产品反求；概念设计；分解重构；功能表面 a b s t r a c t a b s t r a c t i n n o v a t i o nd r i v e sh u m a np r o g r e s sa n dh u m a ns o c i e t yd e v e l o p m e n t ，w h i c h i sn o to n l yt h ef u n d a m e n t a lo fd e s i g n ，b u ta l s ot h el i f ef o u n t a i no fm o d e m p r o d u c td e s i g n g e n e r a t i o na f t e rg e n e r a t i o nd e s i g n e r sc r e a t em a n ye x c e l l e n c e p r o d u c t s t o i m p r o v eh u m a ns u r v i v a lm o d ea n dp e o p l e sq u a l i t yo f l i f e d e v e l o p m e n to fw e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ef i e l do fi n d u s t r i a ld e s i g n p r o v e dt h a tp r o d u c tr e v e r s ee n g i n e e r i n ga p p r o a c h i sa ne f f e c t i v ew a yf o r t e c h n o l o g yp r o g r e s so fd e v e l o p i n gc o u n t r i e s t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fc u r r e n td o m e s t i ca n do v e r s e ar e v e r s et e c h n o l o g i e s a n dt h e o r yf u n d a m e n t a l sa r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y , t h ei m p o r t a n c eo f i n n o v a t i o ni s e m p h a s i z e db a s e do nr e v e r s et e c h n o l o g i e s h u m a no r i g i n a t e d r e v e r s ee n g i n e e r i n gi sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r c u r r e n tr e s e a r c ho fr e v e r s et e c h n o l o g ym o s t l yf o c u s e so n3dm o d e l r e c o n s t r u c t i o na n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , f e wi sa b o u tt h et h e o r yo r s y s t e m a t i cs t u d yo fp r o d u c t r e v e r s ed e s i g n c o n c e p ta n dh u m a no r i g i n a l r e q u i r e m e n t h u m a no r i g i n a t e dr e v e r s et e c h n o l o g ya n dt h e o r e t i c a lf r a m e w o r k i s p r o p o s e di nt h i sp a p e rt oe x t e n dp r o d u c ts t r u c t u r ea n dd y n a m i cd e s i g nt h i n k i n g p r o c e s s t h ea i mo fh u m a no r i g i n a t e dr e v e r s ei st oo b t a i nt h ef u n c t i o n a lp r o t o t y p e o fp r o d u c ta n dr e p r o d u c et h er e q u i r e m e n tp r o t o t y p ew i t ha b s o r b i n gt h ed e s i g n m e t h o d o l o g ya n dk e yt e c h n o l o g yo ft h ep r o d u c t i nt h i sp a p e r ，t h eg e n e r a lm o d e l o fd e s i g np r o c e s si si n t r o d u c e da n dt h et y p eo ff u n c t i o n a ls u r f a c ei se x p a n d e d b a s e do n d e c o m p o s i t i o n a n dr e c o n s t i t u t i o n p r i n c i p l e a n dg e n e r a l i z e d p o s i t i o n i n gp r i n c i p l e t h eg r o w t hd e s i g nt h e o r y i s p r o p o s e da n dh u m a n o r i g i n a t e dp r o d u c t r e v e r s e s y s t e ms u p p o r t i n gi n v e n t i v ed e s i g n o nt h i s f o u n d a t i o ni sd e v e l o p e d d e s c r i p t i o na n de x p r e s s i o no ft h ef u n c t i o n a ls u r f a c ei sr e a l i z e do nu s i n g 本文得到国家自然科学基金资助( 5 0 4 7 5 1 2 9 ) 1 1 1 山东人学硕十学俯论文 t h eo b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y , a l s ot h ee x p r e s s i o no ft h ef u n c t i o n a lp a r t a n d p r o d u c tr e v e r s ed a t as t r u c t u r em o d e li sb u i l tu pb a s e do nf u n c t i o n a ls u r f a c e f r o mt h ep o i n to ff u n c t i o na n dp o s i t i o n ，f u n c t i o nm o d ei sc o n c l u d e df r o ms o l i d p a r tw h i c hh a st h es a m ef u n c t i o n ，w h i c hi n c l u d ee x e c u t em o d e ，t r a n s m i s s i o n m o d e ，s t r u c t u r em o d ea n dm o t i v i t ym o d e u s i n ga c i s ，a na d v a n c e d3 d m o d e l i n gk e r n e l ，i nt h i sp a p e rap r o d u c tr e v e r s es y s t e mp r e di sd e v e l o p e d p r o d u c tr e v e r s es y s t e mf r a m e w o r ka n dt h ek e yt e c h n o l o g ym o d u l ei sc r e a t e d ， p r o d u c tr a p i dm o d e l i n ga n da s s e m b l ym o d u l e ，p r o d u c tf u n c t i o np r o t o t y p eo b t a i n m o d u l e ，p r o d u c t r e v e r s es o l u t i o nm o d u l ea n d p r o d u c tf u n c t i o n a l s u r f a c e e x p a n s i o nm o d u l ea r ei n c l u d e d f i n a l l y , t h ef u n c t i o n s ，m o d u l es e t t i n g ，t e c h n o l o g i e sa n dr u n n i n g e n v i r o n m e n to fs y s t e ma r ee x p a t i a t e d w i t he x a m p l e so fh a n d - l e v e rp r e s sa n d w a s h i n gm a c h i n e ，t h er e c o v e r yp r o c e s so ft h ep r o d u c tp r o t o t y p ea n dt h ep r o d u c t f u n c t i o n a ls u r f a c ee x p a n s i o na r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l s t h ec o r r e c t n e s sa n d r a t i o n a l i t yo ft h et h e o r yr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft e c h n o l o g yi sv a l i d a t e d k e y w o r d sp r o d u c t r e v e r s e ； c o n c e p td e s i g n ；d e c o m p o s i t i o n a n d r e c o n s t i t u t i o n ：f u n c t i o n a ls u r f a c e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文懒名：丝翩签名秘期：醴业 第1 章绪论 曼i _ 一 j i o 量曼曼鼍曼曼皇曼鼍曼! 曼曼曼皇曼! 皇曼曼曼曼曼葛 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 随着世界经济的飞速发展和市场全球化，市场竞争日益激烈，降低产品 成本，提高产品质量，缩短产品开发周期已成为企业生存和发展的关键。为 了能够吸引顾客，抓住稍纵即逝的机遇，企业必须具备高度的灵敏性，敏锐 的洞察力，快速创新的产品开发能力。在这种时代背景下，市场竞争的制高 点转移到了满足客户需求的新产品研发速度上来。企业竞争也由全国范围内 的竞争扩大为全球范围内的竞争，竞争的焦点就在于对市场的快速响应和产 品创新能力。产品创新成为企业生存的惟一出路。企业必须以不断提高的创 新能力，源源不断地开发、生产出顾客需要的产品，并以产品的质量、价格 和差异性在多企业的竞争中成为有效供给，才能保障市场竞争中的地位。 一般而言产品设计往往是先根据产品的功能要求设计出产品的大致结 构、轮廓以及主要构件，然后再在考虑有关精度、强度、成本、可加工性等 因素的过程中逐步细化设计。整个设计是一个逐步细化、求精及循环迭代的 过程，是一个设计约束不断分解、传播与满足的过程，大致可分为概念设计、 结构设计和详细设计三个阶段【l 】，而概念设计阶段在整个设计过程中是最为 重要的，也是产品创新最为活跃的阶段，它所做的决策直接决定着产品最终 价值的8 0 以上，而且随后的详细设计很难纠正它有可能造成的缺陷【2 】。要 想在短时间内设计出创新的概念产品【3 】，用来与顾客进行交流或得到市场反 馈信息，进行初步的设计评价，以保证开发出具有竞争力的创新产品，应寻 求计算机对概念设计的支持，在这个领域我们实验室已经做了一些理论的探 讨和工具的开发工作。 当前世界各国在经济技术发展中都非常重视应用反求工程对国外先进 技术进行引进、吸收、消化及提高的研究工作。这方面日本是一个成功的范 例。战后的日本把旨在引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的 国策来推行的同时，十分注意反求工程的研究，对先进技术进行消化、吸收 和国产化，并采用移植、组合、改造等方法开发出许多新产品。他们的口号 i ij 东大学硕+ 学位论文 是“第一台引进，第二台国产化，第三台出口。积极地应用反求工程给二 战后的日本国民经济注入了活力，推动了日本经济的高速发展，使日本一跃 成为世界经济强国。然而重视反求工作研究的不仅是日本，其它国家也是如 此。据有关资料表明，各国百分之七十以上的技术都来自国外，要掌握这些 技术，正常的途径都是通过反求工程 4 1 。 本文在在产品逆向工程技术基础上，通过对产品功能表面的进一步研究 和扩展，完善了产品概念设计原始需求模型。目的是深化产品创新开发系统 的研制工作，作为推进企业产品开发技术的有力工具，具有较强的科学意义 和经济、社会价值；对创新理论与技术、制造业信息化技术，具有基础性的 影响和推动作用，期望取得重大交叉创新成果，促进理论与技术的发展。 1 2 产品概念设计综述 产品设计的概念设计阶段的工作高度地体现了设计的艺术性、创造性、 综合性以及设计师的经验性。通常，产品概念设计阶段是从产品功能要求出 发，设计出初步设计方案及其结构草图的过程，没有尺寸关系的详细要求， 其目标只是用功能来匹配运动结构【5 】。由于概念设计阶段涉及创造性设计思 维以及频繁的人机交互，尤其需要人工智能技术的辅助。但时至今日，c a d 技术仍然停留在支持设计过程的后续阶段，不足以支持产品概念设计【6 】。自 动处理大量设计信息并能辅助产生新产品概念的智能工具日益得到研究领 域的重视。 从产品设计过程的发展历程可看到，随着设计过程的逐渐紧凑、目标分 化以及c a d 技术的逐步发展和应用，概念设计的内涵也在不断的发生变化。 为能对概念设计做一个全面的形式化定义，针对其发展状况，从以下3 个方 面加以考虑【7 】 定位的完整性从设计方法学的角度看，完整意义上的概念设计包含了 工程设计与工业设计两大部分，两者密不可分。但由于历史的原因，他们一 直处于分裂的局面，前者主要由工程师完成，后者则由工业设计师完成。 工程设计将概念设计界定为产品设计的创造性设计思维阶段，目的在于 求得满足功能需求的原理解，即产品的功能设计、原理设计以及初步的结构 2 第1 章绪论 设计。不少学者从工程设计学出发，提出了层次概念设计模型、工程设计概 念模型、基于功率键图的概念设计等概念设计建模方法。 工业设计界则将其定义为在功能、原理基本确定的情况下，考虑产品结 构、人机工程、形态、色彩、制造以及成本等因素在内的产品外观造型的设 计，即产品的形态设计、色彩设计、布局设计与人机工程设计。不少学者从 产品设计方法学出发，提出了造型文法、色彩文法、形状文法等产品概念设 计原理、原则与方法。 此外，由于需求设计与概念设计之间高度耦合，迭代非常频繁，所以有 时候也可以把需求分析纳入概念设计的研究范畴。 计算机的支持在信息技术迅猛发展的今天，产品概念设计已离不开计 算机的支持。概念设计内涵的不断变化，其最大的驱动因素就在于计算机技 术的不断发展。当前，计算机辅助概念设计( c o m p u t e r a i d e dc o n c e p t u a l d e s i g n ) 的研究已受到众多学者的关注。c a c d 系统能满足概念设计师的各 类特殊需求，更为简捷地生成设计对象，有效的提高概念设计的质量，可避 免因设计失败而造成开发成本的浪费，并提供了一个进行信息交流和对象评 价的更好的平台。 产品创新的目的产品的创新性是产品是否具有竞争能力的关键因素。 而概念设计是产品设计过程中创新表现最为集中、最为突出的一个阶段，其 目的就在于追求产品的创新。概念设计与产品创新设计密切相关。 综上所述，概念设计可定义为产品早期设计阶段，在c a c d 系统支持 下进行产品创新设计的过程，包括了产品在功能、原理、形态、色彩、布局、 人机工程和结构这7 个方面的创新活动。 1 2 1 产品概念设计理论与方法概况 从分析市场开始到发展概念产品、确定产品技术说明书，是产品设计过 程的主要任务与内容，产品设计就是定义产品的过程，它将决定性地影响产 品创新过程中后续的产品生产开发、产品市场开发，以及企业经营战略目标 的实现。产品设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作 方法的一门综合性学科。设计方法学的研究包括了设计理论和设计方法。设 计理论是研究产品设计过程的系统行为和基本规律j ，如日本学者 i ij 东大学硕十学伊论文 y o s h i k a w a ( 吉川弘之) ，t o m i y a m a 等借助集合论等数学工具建立“通用设计 理论”【9 】t a u r a 等在此基础上建立“设计空间度量理论 【10 1 ，美国学者s u h 提出“公理化设计理论 【i i 】，g r a b o w s k i 提出“泛设计理论 等。设计方法 是指产品设计的具体手段，包括功能一结构方法、并行设计、面向x 的设计、 三次设计、可靠性设计、精度设计、智能设计、绿色设计等。 设计理论所要解决的基本问题是，如何能设计出成为企业竞争优势所需 要的产品。产品设计理论要在企业系统过程更广的范畴内，来研究企业开发 产品所应遵循的规律，建立起新的产品设计理论体系。自2 0 世纪8 0 年代以 来，国际上便有过关于设计理论的研究。1 9 9 8 年5 月在德国举行了国际上 第一次通用设计理论讨论会，有德、美、日等国家的学者与会。主流的观点 认为设计是从需求出发寻求设计解( 产品) 的过程。设计的理论是研究设计人 员在设计过程中的思维、行为规律。研究设计理论的目的在于发展新一代用 计算机可帮助产品设计人员高效率和高质量地寻求设计解的技术，为发展新 一代计算机辅助设计技术奠定理论基础。现今的c a d 技术只能解决产品二 维、三维的描述，而不是真正意义上的辅助产品设计。 有代表性的一些设计理论方法简述如下： ( 1 ) t r i z 一一发明问题解决理论【1 2 1 4 】前苏联gs a l t s h u l l e r 等人通过 5 0 年来对世界近2 5 0 万件发明专利的分析研究，总结出人类进行发明创造 解决技术问题中所遵循的原理和法则。建立一个由解决技术问题，实现创新 开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，简称t r i z 。其基本原理是技 术系统进化遵循的客观法则群，其内容包括：分割、抽出、部分改变、对称 性、组合、多面性、多功能、潜套构成、事先对策预防、等位性、逆问题、 同质性等，这些问题覆盖了材料、构形与能量运动形态变换，动、静态力学 原理，基本功能的物理技术实现等方面。 t r i z 的方法不是针对某个具体的机构、机械或过程，而是要建立解决 问题的模型及指明问题解决对策的探索方向，提供人们思考问题、解决问题 的科学化依据。t r i z 方法在工程上实用性强，但其方法核心系经验的集合。 t r i z 可视为一种知识库的方法。t r i z 没有提出如何随着人类在构思、创新 产品过程中的规律而建立一种有效的产品设计机制。 ( 2 ) 公理化设计( a x i o m a t i cd e s i g n ，简称a d ) 1 5 - 1 7 】美国麻省理工学 4 第1 章绪论 院机械工程系n a mp s u h 等学者自1 9 9 0 年来对设计理论进行了系统的研究， 提出了设计公理体系。a d 的出发点是将传统上以经验为主的设计，建立以 科学公理、法则为基础的公理体系。设计的问题域看作为顾客需求域 c a s 、 功能域 f r s 、物理域 d p s 】、过程域 p v s 四个依次通过映射机制相联系的问 题域概念模型。应当提及的是：此通过映射机制如从功能域映射至物理域的 定义为： f r s = a d p s 】 其中a 表示为设计矩阵，表示产品设计的特征。 在公理化设计体系中，其主要贡献在于提出公理抽象本身推进了设计研 究的深化。a d 提出了两个基本公理，其余的公理、法则均由两个公理衍生 而得，此两个公理为：独立性公理保持功能需求的独立性，功能需求是满 足设计目标的独立性功能需求的最小数目。信息公理使设计信息内容最小 化，信息内容定义为满足给定f r 的可能性。 在满足独立性公理的设计中，具有最大的成功可能性的设计为最佳的设 计。在a d 体系中在于如何确定每个域的特征参量，确定设计矩阵【a 和减 少信息量以建立健壮的设计过程。n a mp s u h 给出了实现设计流程的概念系 统结构图。目前该原理系统结构仅能实现综合与控制，满足独立性公理的设 计过程。这个概念结构图中包括三类基本单元结构：综合器、控制器及反馈 器。a d 基本上是一种概念上的表达，距离完善的理论体系和实用尚有很大 的距离，但a d 表明了一种关于“设计”的考虑。 ( 3 ) 通用设计理论( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ，简称g d t ) 1 8 】与泛设计理 论( u n i v e r s a ld e s i g nt h e o r y ，简称u d t ) 1 1 9 】日本东京大学人造物工程研 究中心吉川弘之【2 0 2 1 1 等自2 0 世纪7 0 年代起研究提出g d t ，主要通过用数 学形式化来表达设计过程，处理人类思维活动领域内设计表示为知识处理的 概念模型。他们认为g d t 不仅是设计的理论，还是关于设计知识的抽象的 理论。基于g d t ，1 9 9 8 年5 月k a r s l r u h e 会上又提出了一个精细设计过程模 型，以改进g d t 原先对实际设计过程描述的不足。在这个模型中，“设计 定义为完成技术规格书的过程。设计过程的开始，根据功能、行为状态、属 性以确定设计目标的技术规格书，随着设计过程的发展，技术规格书不断精 确化，成为稳定的、完整的和可行的最终产品定义。精确化的演绎过程用一 i f i 尔大学硕十学伊论文 个元模型的映射机制以建立需求、功能、物理等域多模型的问题域。基于上 述基本理论方法，提出了一个技术实现的知识处理的工程框架。 ( 4 ) p a h l 和b e i t z 的理论【2 2 】问题求解被认为是有步骤地进行分析与综 合，不断地从定性到定量的过程。产品设计可以看作是信息演变的过程，其 中每个新阶段都是对上一个阶段结果的具体化和改进，直至获得最后要求的 结果。在德国慕尼黑大学r o d e n a c k e r 教授设计方法学研究的基础上，德国 学者p a h l 和b e i t z 于2 0 世纪7 0 年代提出有相当代表性、系统性的产品设计 方法学。他们将设计过程分为：明确任务、概念设计、具体化设计和详细设 计等四个阶段。该设计过程很典型地代表了串行的产品设计与开发模式，尽 管各大阶段具有信息反馈使需求说明更为全面，但缺乏有效的反馈机制的支 持，实际作用不大【2 3 2 4 1 。 设计自动化技术是基于产品设计基本理论而发展的产品设计过程自动 化系统技术，设计自动化技术的实现其基础又是设计过程的结构化表达方法 或信息建模，即可计算机描述与处理的方法。山东大学c a d 省重点实验室 作了一些理论探索和工具开发工作。9 0 年代，黄克正【2 5 2 7 】教授从刀具设计 过程中的离散综合法出发，提出了具有普遍实用意义的分解重构原理，在 8 6 3 计划资助下，进行了基于功能表面分解重构原理的“生长型 设计自动 化研究以及相应工具系统的开发。充分考虑设计者的设计思维习惯，建立了 符合人类认知规律的计算机辅助概念设计信息模型及其设计推理过程。 山东大学c a d 省重点实验室的李旭东【2 引、王燕涛【2 9 】博士研究了基于 i n t e r n e t 的协同商品设计；实验室的曹树坤【3 0 1 、陈洪武博士【3 ，借用生物生 长机理和生物基因工程，分析了实现产品概念结构生长型设计的关键问题， 提出了细胞结构和产品基因的概念；实验室的杨志宏【32 1 、张勇【3 3 1 博士通过 功能表面与公差同步的分解重构来实现公差的并行设计；实验室的杨波博士 【3 4 】研究了面向机械产品生长型设计的广义装配原理和技术；实验室的高常青 博士【3 5 】研究了机械产品快速创新设计及其关键技术。 1 2 2 产品概念设计研究及其关键技术 随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品设计在 整个生命周期内占有越来越重要的位置。据统计，产品全生命周期的成本在 6 第1 章绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇! ! 曼皇曼皇曼鼍曼篡曼曼曼曼_ ；i i i _i 皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍曼皇曼! 曼巴皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼 产品设计阶段有9 0 已经被决定，特别在概念设计阶段有7 0 8 0 被决定。 此外，产品的质量和性能等在概念设计阶段很大程度上也被确定下来。 p a h l 和b e i t z l l 9 8 4 年在e n g i n e e r i n g d e s i g n 一书中指出，概念设计是指 “在明确任务之后，经过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其 组合，确定出基本的求解路径，得出求解方案的设计工作 。 概念设计是产品设计过程中的关键环节，根据产品生命周期各个阶段的 要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满 足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方 案的构思和系统化设计。概念设计是一个发散思维和创新设计的过程，是一 个求解实现功能的、满足各种技术和经济指标的可能存在的各种方案并最终 确定综合最优方案的过程。 机械的概念设计方法总体上有两种：第一种方法基本上是一种很原始的 机械设计，即生成机械产品功能目录；第二种方法涉及到了用抽象化表示和 符号化表示机械的各个功能方面。第二种方法是朝向通用化方向的进步。用 抽象化符号表示可以为规律化、系统化描述提供基础，但是要求有一个便于 理解的方法表示抽象的功能解答方案。概括而言，概念设计具有如下特性： 创新性、多样性、层次性和残缺性。 ( 1 ) 6 0 新性：创新是概念设计的灵魂，包括功能、结构等的修改、改良和 创新等。 ( 2 ) 多样性：概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样性和设计结 果的多样性。 ( 3 ) 层次性：分为功能层、行为层、结构层和形状层，且各层自身又包含 一定的层次关系。 ( 4 ) 残缺性：概念设计阶段区别于其它设计阶段的显著特点之一是在该阶 段产品信息是残缺的，即表现为：产品信息是定性的( q u a l i t a t i v e ) ，产品信 息是不精确的( i m p r e c i s e ) ，产品信息是不确定的( u n c e r t a i n ) ，产品信息是不 完全的( i n c o m p l e t e ) 。正是概念设计具有这些特性使概念设计成为世界范围 内的研究难点和热点。 近年来由于人工智能的发展尤其是专家系统在许多领域的迅速发展和 成功运用，引起了机械c a d 专家的高度重视。将概念设计智能化是目前的 山东人学硕十学何论文 研究方向。国内对概念设计的研究与国外相比开始较晚，但基本上和国外的 研究方向相同，这里仅介绍国内的发展情况，就可知国际目前的发展。上海 交通大学邹慧君【3 6 3 8 墩授等人自1 9 8 9 年开始进行机械运动方案设计专家系 统的研究，他们以机械运动系统作为概念设计的对象，用组合分类法对机构 分类，开发了“机构系统方案设计专家系统”。华中理工大学周济【3 9 】教授等 人的研究主要集中在基于实例基础上。浙江大学潘云鹤【4 0 】教授等人，提出了 基于原型的知识表示和推理方法。同济大学王小同【4 1 】等将人工神经网络与传 统人工智能相结合，提出智能设计系统i d s ( 入侵检测系统) 模型及其实现 的关键技术。 尽管概念设计的意义十分显著，但是由于概念设计具有创新性、多样性、 层次性、残缺性等特点，概念设计方法的研究具有相当的挑战性。目前，对 于概念设计的研究及关键技术主要集中在以下几个方面【4 2 4 3 】： 概念设计方法学的研究。针对概念设计的本质特征，构建支持概念设计 过程的理论与方法。 产品信息建模。产品信息建模技术是c a d 系统的核心，是关于设计对 象的计算机抽象描述和表达。目前信息建模方法有：几何模型、语法、图、 对象、知识模型、功能表面法等。 推理技术。在概念设计阶段，依据相关知识，根据一个或一些前提、判 断，按一定的推理策略得出另一个或一些判断，并最终求得结果( 即方案) 的思维过程，也即是对设计对象进行计算机操作。目前概念设计阶段主要推 理技术有：定性推理【4 4 4 6 1 、基于实例的推理【4 7 - 4 8 1 、神经网络【4 吼5 0 1 、基于知 识的推理【5 1 5 2 】和基于约束的推理 5 3 - 5 4 1 等。 计算机辅助概念设计系统的开发。即综合运用概念设计理论与方法，构 建支持概念设计过程的设计工具。 经过二十多年的研究，概念设计在各个方面取得一定的进展。机械产品 概念设计研究的关键技术及研究现状见表1 1 。 表格1 1 产品概念设计研究的关键技术及研究现状 研究内容研究成果 概念设概念设计 s t u r g e s 等人以价值工程为基础，采用逻辑分解法对产品功 计方法 本质过程能进行划分，通过定义功能之间的关系，使功能图的语义更加 第】章绪论 学的理论研 完善；h a n b u r g 提出了设计人员交互工作的问题和在不确定状 究态下的决策技术；b r a c e w e l l 提出分层的信息结构，实现计算机 辅助的功能载体映射；u m e d a 以人的认知模型为基础，采用 f b s 法将功能的分解转化为行为描述的分解：g o r t i 等提出了一 种从符号描述到形状表达映射方法，从功能关系导出设计目标 间的空间关系，求出这些空间关系的解和展示几何形状表达的 进化；w a n g 对面向概念设计的、基于知识的系统方法学进行 了研究；k o t a e t a l 提出的矩阵表示方法，是形成概念设计的一 个可计算方法的基础；檀润华等将功率键图和键和图用于概念 功能设计中；谢进等对概念设计阶段功能的“粒化”问题进行 了相关的研究；冯培思等提出了基于设计目录的原理方案选择 智能法；张根保等提出了系统化的计算机辅助设计( s c a d ) 的方法；邹慧君等从机械的运动机构设计角度进行了计算机辅 助概念设计的研究；黄克正等提出功能表面的概念，并在此基 础上进行了概念设计自动化理论的研究。 q i a n 等通过对f b s 的表达，由交互方式产生创新方案； u m e d a 将设计知识表达为功能行为状态的组合关系以产生创 新方案；c h i o u 等提出了将机构归纳分类，构建机构矩阵，实 现机构拓扑设计自动化的方法；r i n d e r l e 利用一种基于图的语 主要是对 言，来描述整个设计以及组成部分的行为准则；n e v i l l e 和 功能的表 j o s k o w i c z 提出一种用于描述定轴机构行为的语言；k u s i a k 和 达与功能 产品信s z c z e r b i c k i 利用树模型，来描述机械系统概念设计阶段的功能 的分解与 息建模需求，并用映射矩阵来表示需求和功能之间的转换；m a r t i n 提 组合及残 出了基于对象的树，用以描述金属疲劳度和裂纹；y o s h i o k a 等 缺几何信 用对象表示轮船设计中的实体和过程知识；r a o 采用基于规则 息的表达 的示范技术解决球轴承设计中的更换问题；潘云鹤等研究了创 新设计的思维方法和形状方案设计的思维模型及计算机表达 技术；孙正兴等研究了特征设计方法在概念设计中的应用；周 济等人的研究主要集中在实例的基础上。 推理技设计过程国外学者提出了发明创造的科学方法t r i z ；l e e ，宋玉银 9 山东大学硕十学位论文 术 中的方案等将实例推理技术运用到概念设计过程中；钟佩思在方案设计 求解技术中运用神经网络方法；u m e d ay 将定性推理方法应用剑概念设 计中；c a m b emi ，邓家裎等研究了a g e n t 推理技术：冯培恩 研究了复合功能原理方案设计特征模型及其求解过程；类比推 理、规则推理也被应用到概念设计过程中。 z h a n gwy 等开发了基于知识的概念设计原型系统 e f d e x ；g e r ojs 等基于f b s 框架开发了d s s u a 系统，该系 综合运用 统采用原型表达方式；c a m p e l lmi 等采用a g e n t 推理技术开发 概念设计 计算机 了a d e s i g ns y s t e m ，支持机电产品的创新：宋玉银等开发了基 理论与方 辅助设于实例推理的概念设计原型系统；周济等开发了实例模型的设 法，构建 计系统 计支持系统工具c a s e d e s t ，并在相控雷达的方案设计支持系 概念设计 开发统中应用；孔凡国等开发了机械系统方案创新设计智能支持系 过程的工 统m c i d i s s ；邓家裎等发展了“三叶草( c l o v e r ) ”设计自动 具 化系统概念模型；黄克正等开发了基于功能表面分解重构方法 的概念设计自动化系统d a r f a d 。 1 3 逆向工程研究综述 现代设计方法多种多样，人们通称的设计一般均指正设计。在制造领域， 它是根据市场需求提出目标和技术要求，进行功能设计和创造新方案，经过 一系列的设计活动，从而变为产品。正设计是由未知到己知、由想象到现实 的过程。然而在反求工程中，重点研究的是反求设计，它是从已知事物的有 关信息( 包括硬件、软件、照片、广告、情报等) 去寻求这些信息的科学性、 技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，在回溯这些信息 的科学依据基础上，探索掌握其关键技术，改进、挖潜进行再创造，进而开 发出同类的先进产品。由此可见，反求设计采用的是由具体到抽象、再由抽 象到具体的思维方法，是一种以“实物原型重构一产品原型反求一功能原理 改进一结构改进( 创新) 一的框架为模型的工作过程。 1 0 第1 章绪论 皇i l i l i il i i 1 3 1 逆向工程的概述 如果将正向设计、制造过程看作是前向制造方式，即由高层次的抽象设 计到最终生产出产品，从概念设计到c a d 模型是一个明确的过程：而逆向 工程则是在实物原型再现的基础上，通过对现有产品及其零部件的分析，确 定产品不同部件之间的内在联系，包括功能联系、组装联系，明确其工作原 理，结构特点，在更高的、更加抽象的设计层次上经逆向推理获取产品模型， 最后从功能、原理、布局等不同的需求角度对产品模型进行修改和再设计【5 5 1 。 正向设计和反求设计又是相辅相成的。具有丰富正向设计经验和水平的人， 可以显著提高反求水平；而反求设计的成功经验又可以促进正向设计水平的 提高。缺乏正向设计经验者，反求设计中也不能充分地消化吸收。 在逆向工程的产生和发展过程中，由于逆向工程的出发点、侧重点以及 应用场合等方面的不同，逆向工程在不同的文献中有不同的定义。传统的反 求设计主要是指快速生成已有产品的零件原型，从而加工出相似产品。文献 5 6 】定义：”r e v e r s ee n g i n e e r i n gi st h ep r o c e d u r ef o rc o n s t r u c t i n gc a d m o d e lo f a no b j e c tf r o md i g i t i z e dd a t ap o i n t sa n ds u b s e q u e n tu s eo ft h eg e n e r a t e dc a d d a t ab a s ef o rm a c h i n i n ga n di n s p e c t i o n ”文献 5 7 】定义：“r e v e r s ee n g i n e e r i n gi s am e t h o d o l o g yf o rg e n e r a t i n gad e s i g no nt h eb a s i so fa ne x i s t i n gp h y s i c a lp a r t i nt h ea b s e n c eo ft h eo r i g i n a ld e s i g ni n f o r m a t i o n 美国军用手册定义【列j ”r e v e r s ee n g i n e e r i n gi st h ep r o c e s so fd u p l i c a t i n ga ni t e mf u n c t i o n a l l ya n d d i m e n s i o n a l l yb yp h y s i c a l l ye x a m i n i n ga n dm e a s u r i n ge x i s t i n gp a r t st od e v e l o p t h et e c h n i c a l d a t a ( p h y s i c a l a n dm a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s ) r e q u i r e d f o r c o m p e t i t i v ep r o c u r e m e n t p u tm o r es i m p l y ，r e v e r s ee n g i n e e r i n gi st h ep r o c e s so f c r e a t i n gap a r td r a w